کامپیوتر کوانتومی نوری قابل برنامه ریزی دیر می رسد و نمایش را به سرقت می برد


تصویر تلطیف شده از یک جز computer رایانه.

یک لحظه ببخشید – من بمب گذار ، بیش از حد هیجان زده و احتمالاً آزار دهنده خواهم بود. مسابقه به پایان رسیده است و ما در آینده یک محاسبات کوانتومی داریم. IBM ، Google و بقیه می توانند کارت های محاسبات کوانتومی خود را تحویل دهند و شروع به بافتن کنند.

بسیار خوب ، وضعیت هنوز خیلی خشک و بریده نشده است ، اما مقاله اخیر یک کامپیوتر کوانتومی نوری کاملاً قابل برنامه ریزی مبتنی بر تراشه را توصیف می کند. این ایده همه دکمه های من را فشار می دهد و تا زمانی که کسی من را دوباره راه اندازی کند ، من در مورد چیز دیگری صحبت نمی کنم.

نور را دوست داشته باش

شکی نیست که محاسبات کوانتومی طی 20 سال بسیار پیشرفت کرده است. دو دهه پیش ، فناوری کوانتومی نوری راه پیشرفت به نظر می رسید. ذخیره اطلاعات در حالت های کوانتومی فوتون (مانند یک کیوبیت نوری) آسان بود. دستکاری این حالت ها با عناصر نوری استاندارد نیز آسان بود و اندازه گیری نتیجه نسبتاً پیش پا افتاده بود. محاسبات کوانتومی تنها کاربرد جدیدی از آزمایش های کوانتومی موجود بود و این آزمایش ها سهولت استفاده از سیستم ها را نشان می داد و به فناوری های نوری مزیت می بخشید.

اما یکی از عوامل کلیدی برای محاسبات کوانتومی (یا هر محاسبه ای در واقع) توانایی تغییر حالت یک کیوبیت بسته به حالت کیوبیت دیگر است. این در محاسبات کوانتومی نوری عملی ، اما دست و پا گیر است. معمولاً یک عملیات کیوبیتی دو (یا بیشتر) یک است غیرخطی کار ، و فرایندهای غیرخطی نوری بسیار ناکارآمد هستند. عملیات خطی با دو کیوبیت امکان پذیر است ، اما احتمال آن زیاد است ، بنابراین شما باید مطمئن شوید که می دانید کدام جواب درست است ، محاسبه خود را چندین بار تکرار کنید.

دومین ویژگی مهم قابلیت برنامه ریزی است. برای هر محاسبه ای که می خواهید انجام دهید توصیه نمی شود یک رایانه جدید ایجاد کنید. در اینجا ، به نظر می رسید که کامپیوترهای کوانتومی نوری واقعاً سقوط کرده اند. تنظیم و اندازه گیری یک کامپیوتر کوانتومی نوری ممکن است آسان باشد ، یا قابل برنامه ریزی است ، اما نه هر دو.

در همین حال شرکت های خصوصی شرط بندی می کنند تا از چالش های پیش روی کیوبیت های ابر رسانا و کیوبیت های یونی به دام افتاده استفاده کنند. در حالت اول ، مهندسان می توانند از تمام تجربیات خود در زمینه طراحی PCB و مهندسی RF برای مقیاس گذاری تعداد و کیفیت کیوبیت ها استفاده کنند. در مرحله دوم ، مهندسان متعهد به توانایی مقیاس گذاری تعداد کیوبیت ها شدند ، زیرا قبلاً دانستند که کیوبیت ها از کیفیت بالا و دوام بالایی برخوردار هستند.

کامپیوترهای کوانتومی نوری محکوم به فنا شدند.

آینده بسیار درخشان است

بنابراین چه عواملی تغییر کرده است که کامپیوترهای کوانتومی نوری ناگهان زنده می شوند؟ در طی دهه گذشته تعدادی رویداد رخ داده است. یکی ظهور ردیاب هایی است که می تواند تعداد فوتون های به دست آمده را حل کند. تمام کارهای اصلی متکی به ردیاب های تک فوتونی بودند که می توانستند نور / بدون نور را تشخیص دهند. این خود شما هستید که باید مطمئن شوید آنچه که می یابید فقط یک فوتون است نه یک جریان کامل از آنها.

از آنجا که ردیاب های تک فوتونی نمی توانند یک ، دو ، سه یا چند فوتون را از هم تشخیص دهند ، کامپیوترهای کوانتومی محدود به حالت های تک فوتونی شده اند. محاسبات پیچیده به تعداد زیادی فوتون نیاز دارد که همه آنها باید کنترل ، تنظیم و خوانده شوند. با افزایش تعداد عملیات ، احتمال موفقیت به طور چشمگیری کاهش می یابد. بنابراین ، قبل از اطمینان از پاسخ صحیح ، باید همان محاسبه را چندین بار انجام دهید.

با استفاده از ردیاب های تفکیک تعداد فوتون ، دانشمندان دیگر محدود به حالت های رمزگذاری شده در یک فوتون نیستند. آنها اکنون می توانند از حالاتی استفاده کنند که از اعداد فوتونی استفاده می کنند. به عبارت دیگر ، یک کیوبیت ممکن است در یک حالت برهم نهی باشد که حاوی تعداد متفاوتی از فوتون صفر ، یک ، دو و غیره ، تا حدی حداکثر باشد. بنابراین می توان از کیوبیت های کمتری برای محاسبه استفاده کرد.

توسعه دوم کلیدهای نوری مجتمع بود. اپتیک های مجتمع مدتی است که وجود دارد ، اما دقیقاً از دقت و قابلیت اطمینان همتایان الکترونیکی خود برخوردار نیستند. تغییر کرده است همانطور که مهندسان در کار با تکنیک های ساخت و الزامات طراحی مدار نوری تجربه بیشتری کسب کردند ، بهره وری بسیار بسیار بهتر شد. اپتیک یکپارچه اکنون با مقیاس و قابلیت اطمینان که در صنعت مخابرات دارد به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

در نتیجه این پیشرفت ها ، محققان به سادگی موفق به طراحی و سفارش تراشه نوری کوانتومی خود از یک کارخانه شدند ، چیزی که کمتر از یک دهه پیش غیر قابل تصور بود. بنابراین ، به تعبیری ، این داستانی است که 20 سال از زمان ایجاد فناوری پایه می گذرد.

کنار هم قرار دادن پازل

محققان در استارتاپی به نام Xanadu و م Nationalسسه ملی استاندارد این فناوری ها را در کنار هم قرار داده اند تا یک تراشه نوری یکپارچه تولید کنند که هشت کیوبیت تولید می کند. محاسبات با عبور فوتون ها از مدار پیچیده متشکل از تداخل سنج های Mach-Zehnder انجام می شود. در مدار ، هر کیوبیت با خود و برخی از کیوبیت های دیگر هر تداخل سنج تداخل می کند.

با خارج شدن هر کیوبیت از تداخل سنج ، جهت دریافتی آن با توجه به حالت آن و تنظیم داخلی تداخل سنج تعیین می شود. مسیری که انتخاب خواهد شد تعیین می کند که به کدام تداخل سنج منتقل شود و در نهایت از کجا خارج شود.

تنظیم داخلی تداخل سنج ، دکمه ای است که برنامه نویس برای کنترل محاسبه از آن استفاده می کند. در عمل ، دکمه به راحتی دمای بخشهای موجبر جداگانه را تغییر می دهد. اما برنامه نویس لازم نیست نگران این جزئیات باشد. در عوض ، آنها یک رابط برنامه نویسی برنامه (Strawberry Fields Python Library) دارند که کد پایتون با ظاهر بسیار طبیعی را می پذیرد. سپس این کد توسط یک سیستم کنترل ترجمه می شود که اختلاف دما را بر روی تراشه حفظ می کند.

https://www.youtube.com/watch؟v=v7iAqcFCTQQ

شرح فناوری این شرکت.

محققان برای اثبات انعطاف پذیری تراشه آنها ، یک سری محاسبات مختلف را انجام دادند. اولین محاسبه اساساً به کامپیوتر امکان شبیه سازی خود را می دهد – چند حالت مختلف را می توان همزمان ایجاد کرد. (این نوعی محاسبه است که باعث می شود دندان قروچه کنم ، زیرا هر دستگاه کوانتومی می تواند به طور م effectivelyثر خود را محاسبه کند.) اما سپس محققان وارد کار شدند. آنها حالت ارتعاشی اتیلن – دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن – و فنیل وینیل استیلن پیچیده تر – نام محبوب کودک برای سال 2021 – را با موفقیت محاسبه کردند. این نمونه های کاملاً دقیق انتخاب شده کاملاً در فضای هشت کیوبیتی رایانه کوانتومی قرار دارد.

محاسبه سوم شامل یک محاسبه تشابه نمودار است. باید اعتراف کنم که من شباهت گرافیک را درک نمی کنم ، اما می فهمم من فکر می کنم این یک تمرین برای تطبیق الگوها ، مانند تشخیص چهره است. این گرافیک ها البته کاملاً ساده بودند ، اما باز هم دستگاه عملکرد خوبی داشت. به گفته نویسندگان ، این اولین نمایش مشابه شباهت گرافیک های رایانه ای کوانتوم است.

آیا واقعاً تمام شده و غبارروبی شده است؟

خوب ، همانطور که به شما هشدار دادم ، عملکرد من اغراق آمیز بود. با این حال ، این یک گام بزرگ است. مقیاس بندی این رایانه برای تعداد بیشتری کیوبیت هیچ مانع عمده ای ندارد. محققان باید از بین رفتن فوتون در راهنماهای موج خود را کاهش دهند و باید میزان نشتی از لیزر را که همه چیز را هدایت می کند کاهش دهند (در حال حاضر نور کمی در مدار محاسبات ساطع می شود ، که بسیار نامطلوب است). کنترل حرارتی نیز باید مقیاس بندی شود. اما برخلاف نمونه های قبلی رایانه های کوانتومی نوری ، هیچ یک از آنها مانعی برای “رفتن فناوری جدید به اینجا” نیست.

علاوه بر این ، مقیاس گذاری میزان عظیمی از افزایش پیچیدگی را نشان نمی دهد. در کیوبیت های ابررسانا ، هر کیوبیت یک حلقه جریان در یک میدان مغناطیسی است. هر کیوبیت فیلدی را تولید می کند که دائماً با همه کیوبیت های دیگر صحبت می کند. مهندسان در جداسازی و جفت سازی کیوبیت ها از یکدیگر در زمان مناسب مشکل زیادی دارند. هرچه سیستم بزرگتر باشد ، این وظیفه پیچیده تر می شود. کامپیوترهای یونی کیوبیت در حالت های ضبط خود با مشکل مشابهی روبرو هستند. در واقع ، هیچ مشکلی مشابه در سیستم های نوری وجود ندارد و این مزیت اصلی آنها است.

Nature ، 2020 ، DOI: 10.1038 / s41586-021-03202-1 (برای DOI)


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*